辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法

1.本发明涉及属于电力电子级联技术领域，尤其涉及辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法。


背景技术：

2.近年来，电力电子系统中的变换器正朝着大功率、集成化、低成本、高功率密度以及高效率等方向发展。谐振变换器具备电气隔离、易于实现软开关控制、效率高等诸多优点，并能通过并联组合实现多重模块化方案，已发展成为新能源发电、电动汽车、航空航天、不间断电源、直流配电系统等场合的大功率并联开关电源的核心拓扑之一。
3.在低压大电流场合，通过将多相谐振变换器并联可以有效提升系统功率容量，降低功率管应力，因此被广泛应用。然而，在实际电路中，各模块的谐振电感和谐振电容等参数无法保证完全一致，会导致各模块的输出电流的不均衡，从而引发部分模块电流应力过高等严重问题。为了解决上述问题，中国实用新型专利：授权号：cn 212518795 u提出了一种基于全耦合电感器的可自动均流的多相并联谐振变换器，然而耦合电感的加入会增加系统的成本和体积，降低功率密度。中国发明专利：公布号：cn 111585442 a提出了一种可自动均流的多相并联谐振变换器，通过将每一相谐振变换器的谐振变压器副边多绕组变压器串联实现多相模块的自动均流，但该方法副边的多绕组同样增加了系统的体积和成本。中国发明专利：公布号：cn114825956a提出了一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，然而该方法励磁电感由变压器气隙产生，由于变压器的一次侧漏感存在，两相谐振变换器的励磁电感无法实现并联，继而励磁电感对系统的均流性能影响较大，此外变压器气隙磁场产生的涡流损耗，降低变换器的运行效率。
4.ieee transactions on power electronics期刊于2017年第32卷第9期论文《a passive current sharing method with common inductor multiphase llc resonant converter》提出了一种共电感无源均流方法，通过两相谐振变换器的谐振电感并联一定程度上提高了系统的均流性能，但是谐振电容的参数差异导致了两相模块的均流误差仍然较大，另外该方法的显著缺点是并联谐振变换器的各模块谐振电流和二极管电流互相拉扯，负载特性非常差。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，本发明提供辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法；通过将各相模块的谐振腔及辅助励磁电感同时并联，可以同时消除各相模块谐振腔参数差异对系统均流性能的影响；该方法可以拓展到具有多谐振腔网络的并联谐振变换器中，具有结构合理、实现方便、通用性好，系统集成度高、成本低等诸多优点。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法，适应于以下装置，包
括：
8.第一相谐振变换器pl，包括第一开关电路s1、第一谐振腔lc1、第一谐振变压器t1、并联在第一谐振变压器t1的原边绕组np1的两端的第一辅助励磁电感lm1和第一整流电路r1；所述第一开关电路s1具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述的第一谐振腔lc1具有输入端口1-3，所述第一整流电路r1具有输入端口1-3和输出端口1-4；所述的第一谐振腔lc1由谐振电感l1和谐振电容c1串联组成；
9.第二相谐振变换器p2，包括第二开关电路s2、第二谐振腔lc2、第二谐振变压器t2、并联在第二谐振变压器t2的原边绕组np2两端的第二辅助励磁电感lm2和第二整流电路r2；所述第二开关电路s2具有输入端口2-1和输出端口2-2，所述的第二谐振腔c2具有输入端口2-3，所述第二整流电路r2具有输入端口2-3和输出端口2-4；所述的第二谐振腔lc2由谐振电感l2和谐振电容c2串联组成；
10.所述的第一谐振腔lc1与第二谐振腔lc2通过线l1和线l2实现并联连接；由于两相谐振变换器的负端接地，所述的第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2通过l2实现并联连接。
11.优选的，定义第一相谐振变换器p1和第二相谐振变换器p2的串联阻抗分别为z1，z2，表达式为：
[0012][0013]
其中ω为角频率；l
r1
、l
r2
分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器谐振电感；c
r1
、c
r2
分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器谐振电容；j代表复数；
[0014]
通过线l1和线l2将两相模块的谐振腔并联连接后，第一谐振腔和第二谐振腔实现了耦合，耦合后总的阻抗为：
[0015][0016]
总阻抗等效到第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的阻抗分别为zr1和zr2，并且zr1＝zr2，等效后的阻抗表达式为：
[0017][0018]
通过线l2将两相模块的辅助励磁电感并联连接后，第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2实现了耦合，耦合后等效到第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的辅助励磁电感为：
[0019][0020]
其中，lrm1和lrm2分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的等效辅助励磁
电感；
[0021]
所述的辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法，等效到两相谐振变换器的第一谐振槽阻抗zr1和第二谐振槽阻抗zr2相同，等效到两相变换器的第一辅助励磁电感lrm1和第二辅助励磁电感lmr2相同，消除了两相谐振变换器由于谐振元件参数差异引起的均流误差问题，实现了两相谐振变换器的均流。
[0022]
优选的，第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2为独立的磁性元件，其不由变压器的气隙产生；因此，第一谐振变压器t1和第二谐振变压器t2不需要开气隙，消除了由气隙引起的变压器涡流损耗问题，提升了变换器的运行效率。
[0023]
优选的，所述第一开关电路s1与所述第二开关电路s2的开关时序相同；在同一时刻，所述第一相谐振变换器p
l
和第二相谐振变换器p2变换器电流方向相同。
[0024]
优选的，所述的第一开关电路s1和第二开关电路s2能是半桥电路、全桥电路；所述的第一整流电路r1和第二整流电路r2能是半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路以及倍压整流电路。
[0025]
优选的，所述的第一谐振腔是由谐振元件以串联、并联形式组成的多谐振网络；所述的第二谐振腔是由谐振元件以串联、并联形式组成的多谐振网络；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔中谐振元件的数量大于等于一。
[0026]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0027]
1.本发明提供了一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，在传统的多相并联谐振变换器基础上，将两相模块的谐振腔并联，两相模块的辅助励磁电感并联，并联耦合后等效到各模块的阻抗将相同，消除了谐振元件参数差异带来的均流误差问题，从而自动实现各相模块的均流。
[0028]
2.本发明提供了一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2为独立的磁性元件，其不由变压器的气隙产生。因此，第一谐振变压器t1和第二谐振变压器t2不需要开气隙，消除了由气隙引起的变压器涡流损耗问题，提升了变换器的运行效率。
[0029]
3.本发明提供的一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，其中第一开关电路和第二开关电路开关时序相同，不会影响到多相并联谐振变换器的工作原理的分析和参数设计。
[0030]
4.本发明提供的一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，所提供的方案没有引入任何额外的电路器件，也不需要加入复杂的控制方法，且均流效果好。
[0031]
5.本发明提供的一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法，可以拓展到多谐振网络谐振变换器的并联场合，提高了适用性。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
附图1为本发明提供的一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法结构示意图；
[0034]
附图2为本发明提供的一种基于辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器无源均流方法实施例一；
[0035]
附图3是传统的多相并联谐振变换器电路拓扑；
[0036]
附图4为未采用本发明方法时，传统的多相并联谐振变换器谐振电流i
lr1
、i
lr2
实验波形；
[0037]
附图5为采用本发明方法时，谐振电流i
lr1
、i
lr2
实验波形；
[0038]
附图6是未采用本发明方法时，传统的多相并联谐振变换器整流二极管i
d1
、i
d2
实验波形；
[0039]
附图7是为采用本发明方法时，整流二极管i
d1
、i
d2
实验波形；
[0040]
附图中的vin，vo是多相并联谐振变换器的输入输出电压，i
lr1
、i
lr2
是各相变换器的谐振电感电流，i
d1
、i
d2
为多相并联谐振变换器各相模块的整流二极管电流。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：
[0043]
本发明的发明构思为：在传统的多相并联谐振变换器基础上，将两相模块的谐振腔并联，两相模块的辅助励磁电感并联，并联耦合后等效到各模块的阻抗将相同，消除了谐振元件参数差异带来的均流误差问题，从而自动实现各相模块的均流。
[0044]
具体如图1所示，辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法，其特征在于，适应于以下装置，包括：
[0045]
第一相谐振变换器pl，包括第一开关电路s1、第一谐振腔lc1、第一谐振变压器t1、并联在第一谐振变压器t1的原边绕组np1的两端的第一辅助励磁电感lm1和第一整流电路r1；第一开关电路s1具有输入端口1-1和输出端口1-2，的第一谐振腔lc1具有输入端口1-3，第一整流电路r1具有输入端口1-3和输出端口1-4；的第一谐振腔lc1由谐振电感l1和谐振电容c1串联组成；
[0046]
第二相谐振变换器p2，包括第二开关电路s2、第二谐振腔lc2、第二谐振变压器t2、并联在第二谐振变压器t2的原边绕组np2两端的第二辅助励磁电感lm2和第二整流电路r2；第二开关电路s2具有输入端口2-1和输出端口2-2，的第二谐振腔c2具有输入端口2-3，第二整流电路r2具有输入端口2-3和输出端口2-4；的第二谐振腔lc2由谐振电感l2和谐振电容c2串联组成；
[0047]
所述的第一谐振腔是由谐振元件以串联、并联形式组成的多谐振网络；所述的第二谐振腔是由谐振元件以串联、并联形式组成的多谐振网络；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔中谐振元件的数量大于等于一；所述的第一谐振腔可以是由三个以上的谐振元件以串联、并联形式组成的多谐振网络；所述的第二谐振腔可以是由三个以上的谐振元件以串
联、并联形式组成的多谐振网络；
[0048]
由于两相谐振变换器的负端接地，第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2通过l2实现并联连接。第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2为独立的磁性元件，其不由变压器的气隙产生。因此，第一谐振变压器t1和第二谐振变压器t2不需要开气隙，消除了由气隙引起的变压器涡流损耗问题，提升了变换器的运行效率。
[0049]
其中，第一开关电路s1与第二开关电路s2的开关时序相同；在同一时刻，第一相谐振变换器p
l
和第二相谐振变换器p2变换器电流方向相同。
[0050]
第一开关电路s1和第二开关电路s2能是半桥电路、全桥电路；的第一整流电路r1和第二整流电路r2能是半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路以及倍压整流电路。
[0051]
作为本发明的一种具体实施方式，定义第一相谐振变换器p1和第二相谐振变换器p2的串联阻抗分别为z1，z2，表达式为：
[0052][0053]
其中ω为角频率；l
r1
、l
r2
分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器谐振电感；c
r1
、c
r2
分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器谐振电容；j代表复数；
[0054]
通过线l1和线l2将两相模块的谐振腔并联连接后，第一谐振腔和第二谐振腔实现了耦合，耦合后总的阻抗为：
[0055][0056]
总阻抗等效到第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的阻抗分别为zr1和zr2，并且zr1＝zr2，等效后的阻抗表达式为：
[0057][0058]
通过线l2将两相模块的辅助励磁电感并联连接后，第一辅助励磁电感lm1和第二辅助励磁电感lm2实现了耦合，耦合后等效到第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的辅助励磁电感为：
[0059][0060]
其中，lrm1和lrm2分别为第一相谐振变换器和第二相谐振变换器的等效辅助励磁电感；
[0061]
所述的辅助励磁电感的共谐振槽多相并联谐振变换器自均流方法，等效到两相谐振变换器的第一谐振槽阻抗zr1和第二谐振槽阻抗zr2相同，等效到两相变换器的第一辅助励磁电感lrm1和第二辅助励磁电感lmr2相同，消除了两相谐振变换器由于谐振元件参数差异引起的均流误差问题，实现了两相谐振变换器的均流。
[0062]
由附图4可见，(附图3)传统的多相并联谐振变换器ilr1、ilr2实验波形差别巨大，非常的不均衡，谐振电流误差为36.4％，而采用本发明时，多相并联谐振变换器ilr1、ilr2实验波形差别非常小，均流误差为0％；
[0063]
由附图5可见传统的多相并联谐振变换器i
d1
、i
d2
实验波形差别巨大，非常的不均衡，均压误差达到了90.1％，而采用本发明时，多相并联谐振变换器i
d1
、i
d2
实验波形差别非常小，均流误差为0.1％；
[0064]
实验参数为：输入电压vin＝400v，输出电压vo＝24v，负载480w；匝数比n＝34:8，谐振电感lr＝58μh，励磁电感lm＝0.571mh，谐振电容cr＝47nf，开关频率fs＝100khz。
[0065]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。